그래핀 제조를 위한 전단계 물질로서 가능성을 주목받아 온 산화그래핀. 산화그래핀은 다른 그래핀에 비해 제조비용이나 과정이 간단하고 물에 쉽게 섞여 용액공정을 간단히 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 특성을 이용하면 투명전극 제조에 응용할 수 있지만 최근에는 산화그래핀 자체의 응용성이 더욱 주목을 받는다.
산화그래핀은 물과 만나면 일정 농도 이상에서 네마틱 액정상을 나타낸다. 일반적으로 액정상을 갖는 재료는 입자가 자발적으로 배열되고, 그 배열을 전기장 같은 외부 자극을 통해 조절할 수 있다는 특징이 있다.
이러한 특징 때문에 산화그래핀 액정재료는 매우 다양한 응용성을 갖는다. 자체의 우수한 물성과 액정이 갖는 배열조절의 특성을 조합하면 어떤 재료보다 응용성 높은 재료가 될 수 있을 것으로 예상이 된 것이다. 하지만 예상과 달리 산화그래핀은 다른 유기액정재료와 달리 전기장으로 배열 조절이 되지 않는다는 연구결과가 최근 발표되고 있다.
산화그래핀 수용액에 전기장을 인가하면 전기분해 현상과 용액이 흐르는 현상, 산화그래핀이 환원되는 현상, 산화그래핀이 전극에 붙어버리는 현상 등의 문제가 발생한다. 또한 다른 액정재료처럼 배열이 조절되지 않아 이 때문에 기존의 액정처럼 광학 소자로 사용되는 것은 불가능하다고 알려졌다.


세계최초, 무기액정재료 이용해 전기광학 소자 구현




산화그래핀이란 탄소 단일층으로 된 그래핀의 산화된 형태다. 이전에는 그래핀 제조를 위한 전단계 물질로만 주목받았지만 그래핀과 달리 물 등의 용매에 잘 분산되고 결합한 기능기의 종류와 밀도에 따라 도체, 반도체, 부도체 등 다양한 특성을 가져 종이나 실의 제조, 윤활제, 등 이를 이용하려는 응용연구가 활발한 상태다.
“산화그래핀 입자를 전기적으로 배열해 빛이 투과되는 정도나 굴절되는 정도가 변하는 특성을 이용하면 LCD처럼 디스플레이 장치나 광셔터 등에 폭넓게 응용할 수 있습니다. 하지만 여러가지 문제점으로 인해 응용이 쉽지 않은 상황이죠. 우리 연구팀은 이러한 배열조절이 어려운 이유가 입자들 간 마찰력 때문이라는 것을 알아내고 산화그래핀 농도를 낮추는 등 마찰력을 약화시키는 방식으로 입자들을 효율적으로 정렬하는 방법을 개발했습니다.”
송장근 교수는 “사실 이번 연구는 ‘전기반응성이 1천배 뛰어난 액정재료 개발’을 목표로 시작한 것은 아니었다”며 “관련 연구를 수행하던 중 산화그래핀 재료의 특이한 성질을 발견하고 이를 집중적으로 연구하다가 나온 결과”라고 말했다.
결과적으로 보자면 해당 연구를 통해 무기액정재료를 이용한 세계 최초의 전기광학 소자를 구현한 셈이다. 더불어 송장근 교수팀의 산화그래핀 액정재료가 갖는 전기적 반응성은 지금까지 발표된 유기·무기 재료를 통틀어 가장 큰 값이었다.
“그동안 산화그래핀을 이용해 전기광학 소자로 응용하고자 연구하는 사람들은 많았습니다. 하지마 그들 중 대부분이 지속적인 연구를 했던 것 같진 않아요. 지난 2010년, 카이스트 김상욱 교수팀을 비롯해 전 세계적으로 세 곳의 연구그룹에서 산화그래핀이 액정상을 나타낸다는 사실을 거의 비슷한 시기에 보고했습니다. 논문에 설명된 내용을 보자면 산화그래핀이 전기광학 소자로 이용될 수 없는 이유는 매우 뚜렷이 드러나 있어요. 이 때문에 관련 연구를 하던 분들이 산화그래핀 재료를 이용한 전기광학적 소자 개발과 관련된 연구를 포기했거나 착수를 하지 않았다고 추정됩니다. 이후 산화그래핀과 관련된 논문이 매년 대량으로 출판되고 있지만 전기광학효과에 대한 논문은 나오지 않는 상황이고요.”
관점의 차이로 얻은 쾌거



모든 연구가 그렇듯, 현상에 대한 원인을 조사하는 게 연구의 핵심이다. 송장근 교수팀은 산화그래핀 액정에 낮은 전압을 인가했을 때 전혀 반응이 나타나지 않는 이유를 찾기 시작했다. 그러던 중 이것이 산화그래핀 인자들 간의 상호작용력 때문임을 알게 됐다. 농도를 낮추고 이온들의 농도를 조절해 입자들간 상호작용력을 조절했을 때 높은 반응성이 나타난다는 것을 알게 된 것이다.
송 교수는 “이러한 입자들간 상호작용력이 조절된 재료에 높은 주파수의 저전압을 인가했을 때는 기존에 나타났던 문제점들이 전혀 발생하지 않았다”고 강조했다.
송장근 교수가 이번 연구를 진행한 것은 지난 2010년 산화그래핀 용액이 액정상을 나타낸다는 소식을 논문을 통해 접하면서부터다. 그는 성균관대학교로 이직하기 전 오랫동안 삼성전자에서 액정연구를 진행한 바 있다. 스스로 ‘그래핀 분야의 초보연구자’라고 이야기하는 송 교수는 “액정연구를 계속 했기 때문인지 2010년 논문을 접했을 때 액정상에 연구의 초점을 맞추게 됐다”며 “기존의 다른 연구자들이 그래핀 재료의 물성 연구에 초점을 맞춘다면 나는 연구 배경이 달라 같은 현상을 보는 관점이 달랐다고 생각한다”고 덧붙였다.
“제가 생각하는 액정은 액체와 결정의 성질을 모두 가진 재료이고 액체는 외부의 자극에 민감하게 반응을 하는 특성이 있습니다. 산화그래핀 액정이 외부의 전기적 자극에 반응을 하지 않는다면 이유가 있을 것으로 생각해 집중적으로 연구를 진행하게 됐습니다. 물론 지금도 산화그래핀 액정이 갖는 액정상 특성 연구에 몰두하고 있고요.”
천직이 연구자다. 때문에 연구과정은 그에게 고난의 길이라기보다 늘 즐거운 여정이라고 할 수 있다. 이번 연구 역시 마찬가지다. 힘든 시기가 될 법도 했지만 송 교수는 “산화그래핀 액정 연구 자체에서 어려웠던 점은 딱히 없었던 것 같다”며 당시를 회고했다.
“성과에 대한 부담만 없다면 연구 자체는 즐거운 일이에요. 하지만 일반 신진연구자들이 느끼는 심리적인 부담감이 제게도 상당히 크기는 했습니다. 2010년, 대학 교수로 시작하기에는 다소 늦은 39세에 전자회사에서 대학교로 옮겨왔어요. 이 때 남들보다 늦게 기초연구에 뛰어드는 것에 대한 부담감이 있었죠. 때문에 빨리 연구 성과를 내야 한다는 조바심도 있었고요. 하지만 오히려 산화그래핀 연구는 이러한 부담으로부터 도피처가 됐던 것 같습니다. 특히 2년 전부터 후배인 홍승호 박사가 실험실에 합류 했는데, 실험결과와 이론에 관해서 서로 토론을 하는 것은 특별할 것이 거의 없는 매일의 생활에 활력소가 되곤 했습니다.”
송장근 교수팀의 이번 연구는 무기액정 재료를 이용해 세계 최초로 전기광학 소자를 구현했다는 점과 전기광학적 반응성 정도가 가장 큰 물질을 발견했다는 데 의의가 있다. 더불어 그래핀 재료의 새로운 응용분야를 개발하고 저전압 전기광학소자의 새로운 구현 방법 등을 개발했다는 특징을 지닌다.
“삼성에서 일한 15년 동안 LCD TV 제품 기술 개발에 전념하면서 많은 기술을 개발하고 특허화했습니다. 회사의 좋은 연구 환경과 지원 아래에서 실제 제품에 응용될 기술을 개발하는 일은 매우 매력적이고 재미있는 일이었어요. 하지만 새로운 미지의 연구를 하고 싶은 욕구는 항상 있었습니다. 학교 연구의 가장 큰 매력은 원하는 주제의 연구를 할 수 있다는 것이에요. 물론 기업에 비해 환경도 열악하고 연구비나 연구력도 부족하지만요. 
앞으로 당분간은 다양하고 새로운 연구를 하는데 시간을 투자할 계획입니다. 산화그래핀도 그 중 하나이고 다른 재료나 분야도 연구를 하고 있습니다. 나머지 시간들을 모두 투자해야겠다고 생각되는 주제를 찾기 전까지는 아마도 그렇게 하지 않을까 생각됩니다. 새로운 주제의 탐색은 완전히 새로운 주제를 찾거나 인기 있고 유망한 분야를 찾는 것이 아니라 지금 하고 있는 연구로부터 얻은 결과와 내공을 바탕으로 인접 주제로 넘어가는 것이니까요.
그런 면에서 지금은 ‘산화그래핀의 전기광학적 특성과 응용’에 상당히 집중하고 있어요. 최근부터 산화그래핀과 같이 나노입자들의 자발적 배열을 이용한 미세생물들의 움직임을 검출하는 연구와 다층구조의 자발적 배열에 관한 연구를 시작했습니다. 하지만 새로운 연구를 하면서 느끼는 가장 큰 어려움은 지적 능력의 한계입니다. 이 때문에 요즘에는 해외 연구팀과 공동연구에 상당히 공을 들이고 있죠. 앞으로 좋은 연구를 진행하도록 노력하겠습니다.”